Các phương pháp xử lý amoni trong nước thải

Chu Văn An

Amoni (NH4+) là ion tồn tại rộng rãi trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp. Nếu không được xử lý hiệu quả, amoni trong nước thải sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và nhiều hoạt động sản xuất công nghiệp. Vậy các phương pháp xử lý amoni trong nước thải là gì? Nồng độ quy định của amoni trong nước thải là gì? Hãy cùng vietchem tìm hiểu qua bài viết dưới đây nhé!

I. Tổng quan về amoni trong nước thải

1. Amoni là gì? Dạng amoni hiện có

Amoni là trạng thái hóa trị của nitơ, tồn tại ở hai dạng: ion NH4+ và khí NH3. Ion NH4+ ít độc hơn, còn NH3 là chất khí có mùi nồng, tan trong nước, gây độc cho sinh vật dưới nước. Khi ở môi trường pH kiềm (pH ≈ 11), amoni chủ yếu ở dạng NH3, ở môi trường pH thấp (pH ≈ 7) NH4+ chiếm ưu thế hơn.

Amoni là một trong những chỉ tiêu đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải. Hầu hết nitơ trong nước thải tồn tại chủ yếu ở dạng nitơ vô cơ với 90 – 97% tổng nitơ là amoni.

Amoni là gì?

2. Nguồn gốc amoni trong nước thải

Amoni trong nước thải phát sinh từ nhiều nguồn chất thải của con người và công nghiệp:

• Từ chất thải từ hoạt động vệ sinh của con người, chăn nuôi hoặc các sản phẩm trao đổi chất.
• Từ nước thải công nghiệp từ các ngành công nghiệp sản xuất hóa chất, phân bón, sợi tổng hợp, hoạt động giết mổ, chế biến thịt động vật, hải sản…

3. Tại sao cần loại bỏ amoni trong nước thải?

Thông thường, amoni không quá độc đối với con người và động vật. Tuy nhiên, nguy hiểm khi ở nồng độ tập trung vượt quá giới hạn cho phép sẽ chuyển hóa thành chất độc hại, gây ung thư và nhiều bệnh khác cho con người và động vật. Đồng thời, hàm lượng amoni cao trong nước ảnh hưởng đến môi trường sống của các sinh vật thủy sinh.

Tác dụng của amoni đối với sức khỏe con người:

Với nồng độ cao trong nước, amoni dễ dàng chuyển hóa thành các gốc nitrile NO2- và nitrat NO3-. Qua ăn uống, các chất này sẽ được hấp thụ vào cơ thể và gây ra một số bệnh nguy hiểm.

• Khi nitrit đi vào máu, chất này sẽ cạnh tranh với oxy trong hồng cầu khiến huyết sắc tố giảm khả năng vận chuyển oxy, dẫn đến thiếu máu, da nhợt nhạt.
• Đặc biệt với trẻ < 6 tháng tuổi, nitrit sẽ gây các bệnh về đường hô hấp, chậm lớn, suy nhược, thiếu máu, khó thở. Đối với người lớn, nitrit kết hợp với axit amin trong thực phẩm tạo thành nitrosamine là nguyên nhân gây ung thư.

Ảnh hưởng của amoni tới môi trường

• Amoni cùng với các chất có trong nước như hợp chất hữu cơ, phốt pho, sắt… là nguồn dinh dưỡng để tảo phát triển mạnh. Khi chết, chúng thải ra một lượng lớn amoni gây độc cho hệ sinh thái trong nước.
• Amoni có thể làm cạn kiệt oxy trong nước.
• Amoni cản trở công nghệ xử lý nước, làm giảm hiệu quả khử trùng của clo trong nước. Nước có thể trở nên đục và tích tụ cặn trong hệ thống đường ống dẫn nước.

4. Quy định nồng độ amoni trong nước thải

Vì những tác hại mà amoni gây ra nên cần giảm thiểu nồng độ amoni trong nước. Theo quy định QCVN 01:2009/BYT, nồng độ amoni trong nước sinh hoạt không được vượt quá 3mg/l. Đối với nước thải công nghiệp, theo tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT, nồng độ amoni trong nước thải sau xử lý không được vượt quá 5mg/l.

II. Một số phương pháp xử lý amoni trong nước thải

Để xử lý amoni trong nước thải, có thể sử dụng nhiều phương pháp như phương pháp vật lý, hóa học hoặc sinh học. Nguyên lý chung của các phương pháp này là chuyển hóa amoni thành các chất khác hoặc tách chúng ra khỏi môi trường nước. Việc lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp phụ thuộc vào nồng độ amoni trong nước cũng như chi phí đầu tư.

1. Phương pháp nitrat hóa

Phương pháp xử lý amoni bằng quá trình nitrat hóa diễn ra trong môi trường hiếu khí, dưới sự tác động của hai loại vi khuẩn: Nitrosomonas và Nitrobacteria. Quá trình nitrat hóa là một quá trình tự dưỡng, trong đó vi khuẩn lấy năng lượng từ các hợp chất nitơ bị oxy hóa.

Quá trình nitrat hóa từ amoni được chia thành 2 giai đoạn:

• Bước 1: Vi khuẩn Nitrosomonas sẽ chuyển hóa amoni (NH3, NH4+) thành Nitrit (NO2)

2NH4- + 3 O2 -> 2NO2- + 4H+ + 2H2O

• Bước 2: Vi khuẩn Nitrobacter sẽ chuyển hóa nitrit NO2- thành Nitrat NO3-, hoàn tất quá trình nitrat hóa.

2NO2- + O2 -> 2NO3-

Vi khuẩn lấy năng lượng từ các phản ứng trên để duy trì sự sống và tổng hợp sinh khối. Ngoài việc tham gia vào quá trình oxy hóa, một số ion amoni còn được đồng vận chuyển vào tế bào vi khuẩn.

Vì xảy ra trong môi trường hiếu khí nên cần đảm bảo cung cấp đủ oxy trong suốt quá trình để các phản ứng xảy ra và hỗ trợ sự sống của vi khuẩn.

Phương pháp nitrat hóa xử lý amoni trong nước thải

2. Sử dụng màng thẩm thấu ngược RO

Amoni trong nước có thể được loại bỏ bằng màng thẩm thấu ngược RO. Kích thước lỗ màng thường được sử dụng là <0,0005 μm. Quá trình lọc màng RO sẽ chỉ cho nước đi qua và giữ lại các chất rắn lơ lửng và các chất hòa tan, trong đó có amoni.

3. Phương pháp Anammox

Đây là phương pháp sinh học với công nghệ mới được áp dụng rộng rãi trong thời gian gần đây nhằm giúp xử lý amoni trong nước thải. Phương pháp này sử dụng ít O2 hơn và do không cần bổ sung cacbon hữu cơ so với phương pháp nitrat hóa thông thường nên tiết kiệm chi phí hơn. Phương pháp này diễn ra trong môi trường yếm khí, amoni sẽ được chuyển hóa thành khí N2. Quá trình oxy hóa amoni có sự tham gia của hai loại vi khuẩn: Candidatus Brocadia anammoxidans và Candidatus Kuenenia stuttgartiensis.

Đầu tiên, bước nitrat hóa bán tổng sẽ được thực hiện để chuyển một nửa amoni thành nitrit:

NH4+ + 1,5 O2 + 2 HCO3– → NO2– + 2 CO2 + 3H2O

Sau đó, quá trình anammox sẽ được thực hiện để oxy hóa hoàn toàn amoni thành N2:

NH3 + 1,32 NO2– + H+ → 1,02 N2 + 0,26 NO3– + 2 H2O

Nhược điểm của phương pháp này là vi khuẩn anammox là vi khuẩn kỵ khí và tự dưỡng hoàn toàn nên khó nuôi cấy. Đồng thời tốc độ tăng trưởng khá chậm nên quá trình anammox mất nhiều thời gian để tiến hành.

Cơ chế của quá trình anammox trong xử lý nước thải chứa amoni

4. Phương pháp clo hóa

Phương pháp clo hóa được coi là phương pháp loại bỏ amoni hiệu quả nhất khi clo gần như là hóa chất duy nhất có thể oxy hóa amoni ở nhiệt độ phòng để tạo ra khí N2 dễ bay hơi. Tốc độ phản ứng của clo với amoni cũng nhanh hơn so với các chất hữu cơ. Lượng clo thêm vào nước thải so với amoni tương ứng với tỷ lệ 8:1. Phương pháp này hiệu quả và rẻ tiền. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là khi hết amoni, clo dư sẽ phản ứng với các chất hữu cơ trong nước tạo thành các hợp chất có mùi khó chịu, trong đó khoảng 15% là các chất thuộc nhóm THM – trihalomethane và trihalomethane. HAA – axit axetic halogen hóa có khả năng gây ung thư. Vì vậy, trong quá trình sử dụng người vận hành cần phải có kỹ thuật tốt và hết sức cẩn thận.

5. Tăng độ pH của nước

Phương pháp này giúp chuyển hóa NH4+ thành NH3 dễ bay hơi, kết hợp với sục khí để đẩy amoni ra khỏi nước. Bởi trong môi trường pH cao, amoni sẽ tồn tại chủ yếu dưới dạng NH3.

Áp dụng nguyên tắc đó người ta sẽ dùng vôi hoặc NaOH để tăng độ pH trong nước lên khoảng 10,5-11. Đồng thời kết hợp sục khí và tăng nhiệt độ nước để tăng hiệu suất chuyển hóa từ ion NH4+ thành NH3. Sau khi loại bỏ amoni, nước sẽ được trung hòa bằng axit.

Tăng pH nước để xử lý amoni trong nước thải

6. Phương pháp trao đổi ion

Amoni trong nước thải có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng các hạt trao đổi cation. Trong bể lọc cationit, NH4+ sẽ được trao đổi với ion Na+. Đồng thời, một phần nhỏ ion NH4+ sẽ bị hấp phụ bên trong cấu trúc của zeolit.

Để áp dụng phương pháp này cần đảm bảo độ pH của môi trường được duy trì trong khoảng 4,0-8,0. Nếu không kiểm soát được độ pH sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của quá trình trao đổi chất. Nếu pH < 4.0, the cationite particles will retain even the H+ particles. If pH > 8.0, ion NH4+ sẽ chuyển hóa NH3 và các hạt cation không có tác dụng với NH3. Sau khi sử dụng, các hạt cationit được hoàn nguyên bằng axit sulfuric hoặc muối.

Trên đây ENGCHEM xin giới thiệu đến bạn đọc một số phương pháp được sử dụng hiện nay để giúp xử lý amoni trong nước thải. Hiện nay Trường Chu Văn An đang phân phối nhiều loại hóa chất, vật tư xử lý nước chất lượng với giá cả hợp lý. Nếu bạn có thắc mắc hoặc muốn mua bất kỳ sản phẩm nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua số điện thoại 0826 010 010 hoặc website vietchem.com.vn để được phản hồi nhanh nhất.